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Überdrehzahlsicherung für Turbinen Die Erfindung betrifft eine überdrehzahlsicherung
für Turbinen, wobei der Turbinenrotor eine hohle Welle aufweist und Einrichtungen
vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Zufuhr des Arbeitsmittels zur Turbine geregelt
wird, und diese Regelung mittels des in einer Signalleitung herrschenden Druckes
erfolgt, wobei ein durch Fliehgewichte, die sich innerhalb der Hohlwelle befinden,
gesteuertes Ventil auf den in der Signalflüssigkeitsleitung herrschenden Druck einwirkt,
indem es Signalflüssigkeit in einen Raum niedrigeren Druckes eintreten läßt.
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Turbinen, insbesondere mit einem elastischen Arbeitsmittel angetrieben,
zeigen die Neigung zum Durchgehen, wenn sie entlastet werden, und zwar beispielsweise
bei unzureichender Regelung oder bei Auftreten eines Bruchs in der Maschinenanlage,
mit der die Turbine belastet ist.
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Diese Turbinen arbeiten im allgemeinen mit hoher Geschwindigkeit und
niedrigem Drehmoment; in der Regel übertragen sie die Leistung mittels einer hohlen
Abtriebswelle und über ein Untersetzungsgetriebe.
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Solche Getriebe weisen in der Regel mehrere Zapfstellen auf, durch
die andere Einrichtungen der Anlage -angetrieben werden, beispielsweise Generatoren,
hydraulische Pumpen und Regeleinrichtungen. Bricht die Abtriebswelle infolge von
Ermüdung oder zu hoher Belastung, so sind Turbinenregeleinrichtungen, die über das
Untersetzungsgetriebe angetrieben werden, nicht in der Lage, auf die tatsächliche
Turbinengeschwindigkeit anzusprechen. Dann kann also die Regeleinrichtung nicht
wirksam werden, d. h. die Turbine geht durch und wird zerstört.
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Sicherheitseinrichtungen an Turbinen zur Verhinderung des Durchgehens
sind bekannt. So hat man beispielsweise ein fliehkraftgesteuertes Ventil vorgesehen,
das in einer Druckflüssigkeitsleitung liegt, die mit einer Druckmittelleitung zum
Servomotor, der den Zufluß des Arbeitsmittels zur Turbine steuert, in Verbindung
steht. Das Ventil ist in der Turbinenhohlwelle angeordnet und spricht beim Überschreiten
eines vorbestimmten Wertes der Drehzahl an; dabei ändert es den Druck in der Druckflüssigkeitsleitung,
so daß die Zufuhr des Arbeitsmittels zur Turbine gedrosselt wird.
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Weiterhin ist auch ein Regler bekannt, mit dessen Hilfe ein Überschreiten
der höchstzulässigen Turbinendrehzahl verhindert wird, und bei diesem Regler ist
ein federbelastetes Fliehgewicht vorgesehen, das mit einem Ventil zusammenarbeitet.
Hier wird die Zufuhr des Arbeitsmittels zur Turbine mittels des in einer Signalflüssigkeitsleitung
herrschenden Druckes geregelt, wobei ein durch Fliehgewichte, die sich innerhalb
der Turbinen-Abtriebs-Hohlwelle befinden, gesteuertes Ventil auf den in der Signalflüssigkeitsleitung
herrschenden Druck einwirkt, indem es Signalflüssigkeit in einen Raum niedrigeren
Druckes eintreten läßt.
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Bei den bekannten Vorrichtungen stellt das verwendete fliehkraftgesteuerte
Ventil eine Steuereinrichtung dar, die lediglich den Druck in der Signalflüssigkeitsleitung
verringert oder erhöht, aber keine Schnellschließwirkung aufweist. Es wird dabei
verhütet, daß die Turbinendrehzahl einen vorbestimmten Wert überschreitet, jedoch
wird diese Drehzahl konstant gehalten und nicht beim Überschreiten des Grenzwertes
augenblicklich abgedrosselt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Überdrehzahlsicherung
innerhalb einer geschlossenen Hohlwelle anzuordnen und sie so auszubilden, daß sie
eine Schnellschlußwirkung aufweist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Ventil aus einem
in der Hohlwelle gleichachsig angeordneten Ventilsitz und aus einem mit dem Ventilsitz
zusammenwirkenden und in der Hohlwelle axial bewegbaren Ventilteller besteht, der
von den Fliehgewichten betätigt wird, die auf den Ventilschaft in das Ventil öffnendem
Sinne einwirken können, wobei sich der Ventilteller in einen mit der Signalflüssigkeitsleitung
verbundenen Raum hineinbewegt,
während der Raum unterhalb des Ventiltellers
mit dem Raum niedrigen Druckes in Verbindung steht.
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Ein Vorteil der überdrehzahlsicherung nach der Erfindung besteht in
einer verhältnismäßig einfachen und daher billigen Bauweise. Ferner ist das Ventil
gut geschützt angeordnet und daher im Betriebe keiner Verschmutzung ausgesetzt,
die die Wirkungsweise erheblich stören könnte. Eine Schwächung der Turbinenwelle,
die zur Übertragung der Leistung zur Verfügung stehen muß, ist beim Gegenstand der
Erfindung weitgehend vermieden. Schließlich ist auch noch anzuführen, daß sich eine
überdrehzahlsicherung nach der Erfindung auch ohne weiteres bei sehr hohen Drehzahlen
anwenden läßt, da diese Vorrichtung weitgehend rotationssymmetrisch ausgebildet
werden kann.
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Zweckmäßig wird eine überdrehzahlsicherung nach der Erfindung so ausgebildet,
daß die Hohlwelle an ihrem einen Ende offen ist und eine Kraftabnahme, z. B. eine
Abtriebswelle. aufnimmt sowie im Innern zugänglich ist, sobald die Kraftabnahme
entfernt ist. Zweckmäßig wird das Ventil mit einer Vorspannung versehen, die den
Ventilteller auf seinem Sitz zu halten sucht. Dies hat zur Folge, daß bei Verringerung
der Druckdifferenz beim Öffnen des Ventils sich auch die Kraft verringert, die das
Ventil in seiner Schließlage hält, und dies hat zur Folge, daß das Ventil rasch
in die Offenstellung gelangt.
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Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dar. Es zeigt F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Tubine, die mit einer
überdrehzalilsicherung nach der Erfindung versehen ist; einige Teile der Anlage
sind der übersichtlichkeit halber vereinfacht dargestellt oder überhaupt weggelassen;
F i g. 2 in größerem Maßstab und im Schnitt einen Teil der Anordnung nach F i g.
1; F i g. 3 in größerem Maßstabe einen Schnitt durch die Einrichtung nach F i g.
2 längs der Linie 3-3.
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Der Rotor 10 der Turbine ist von einem spiralförmigen Einlaß 12 für
das Arbeitsmittel umgeben, der mit einem am Umfang der Turbine vorgesehenen Leitapparat
14 mit regelbarem Durchtrittsquerschnitt in Verbindung steht. Weiterhin steht mit
dem Einlaß 12 ein Druckregel- und Absperrorgan 16 in Verbindung, durch das ein unter
Druck stehendes elastisches Arbeitsmittel der Turbine zugeführt wird. Eine Welle
18 trägt den Turbinenrotor 10 und ruht in Lagern 20 und 22. Die Welle 18 ist hohl
und an ihrem dem Rotor 10 abgewandten Ende 24 offen.
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In dieses offene Ende 24 der Welle 18 ragt das mit der Feder und Nut
versehene Ende 26 einer innen hohlen Welle 28 hinein, mit deren Hilfe ein in einem
Gehäuse 30 angeordnetes Untersetzungsgetriebe antreibbar ist. An das Getriebe 30
sind weitere Hilfseinrichtungen, wie beispielsweise ein Wechselstromgenerator 32
und eine hydraulische Pumpe 33, angeschlossen, so daß sie über dieses Getriebe antreibbar
sind. Weiterhin ist mittels des in dem Gehäuse 30 vorgesehenen Getriebes ein pneumatischer
Geschwindigkeitsregler 34 gekuppelt.
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In der hohlen Welle 18 befindet sich ein in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit
durch Fliehkraftwirkung betätigtes Ventil 36, das mit einer Druckregelleitung 38
über eine übliche Kohledichtung 40 angeschlossen ist, welche die Welle 18 umgibt
und mit deren Innenraum in Verbindung steht. Die Leitung 38 steht mit dem Geschwindigkeitsregler
34, einem auf Druck ansprechenden elektrischen Schalter 42 und einem Servomotor
44 in Verbindung. Der Servomotor 44 ist mit dem einstellbaren Leitapparat 14 verbunden
und dient zu dessen Steuerung. Weiterhin steht mit der Leitung 38 ein Druckregler
46 in Verbindung, der über ein Rohr 48 und durch eine Drosselöffnung 50 Druckluft
zuführt, die der Steuerdruckleitung 38 zugeleitet wird. Im Betriebe sind sowohl
der Geschwindigkeitsregler 34 als auch das Ventil 36 in der Lade, in der Strömungsrichtung
hinter der Drossel 50 das unter Druck stehende Arbeitsmittel abzulassen, so daß
ein pneumatisches Signal in Gestalt des Druckabfalles dem Druckschalter 42 und dem
Servomotor 44 zugeführt wird. Während des normalen Betriebes der Turbine beeinfiußt
der Geschwindigkeitsregler 34 den Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 38 und regelt
auf diese Weise vermittels des Servomotors 44 die einstellbare Düsenanordnung 14,
so daß der Turbinenrotor 10 auf der gewünschten Geschwindigkeit gehalten wird.
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Sollte jedoch die hohle Abtriebswelle 28 brechen und damit der Rotor
10 von der Last befreit werden, die normalerweise durch den Wechselstromgenerator
32 und die hydraulische Pumpe 33 auf ihm ruht, so hat die Turbine das Bestreben
durchzugehen. Erreicht unter diesen Bedingungen der Rotgr 10 eine vorbestimmte Höchstgeschwindigkeit.
so öffnet sich das Ventil 36 und läßt in der Strömungsrichtung hinter der Drossel
50 Druckluft aus der Steuerdruckleitung 38 ab.
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Tritt das Ventil 36 in NVirkung, so öffinet es sich vollständig, so
daß der Dru2k in der Druckregelleitung 38 sehr rasch auf einen sehr niedrigen Wert
absinkt. Das auf diese Weise erzeugte pneumatische Signal genügt, um den Druckschalter
42 zu betätigen, was zur Folge hat, daß das Ventil 16 in seine Schließstellung gelangt
und damit den weiteren Zutritt des Arbeitsmittels in die Turbine verhindert. Gleichzeitig
schließt der Servomotor 44 auch den Leitapparat 14, so daß auch auf dies; Weise
die Strömung durch die Turbine hindurch auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
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In F i g. 2 ist das durch Fliehkraft betätigte Ventil 36 im einzelnen
veranschaulicht. Die Druckluftleitung 38 steht über einen Kanal 39 in der Dichtung
40 mit einem in der Seitenwandung der Welle 18 vorgesehenen Kanal 41 in Verbindung.
Dieser Kanal 41 mündet unmittelbar in das Ventil 36, das dazu dient, den Druck durch
Öffnungen 43 in der Seitenwandung der Welle 18 nach außen abzulassen.
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Das Ventil 36 weist einen Teil 52 auf, der einen Sitz 54 für ein Tellerventil
in dem dem Kanal 41 zugewandten Ende aufweist. Mit dem Sitz 54 wirkt ein Ventil
56 zusammen, dessen Schaft 58 gleichachsig zur Turbinenwelle 18 liegt. An diesem
Ventilschaft 58 ist eine Zugfeder 60 befestigt, die das Bestreben hat, das Ventil
56 fest auf den Ventilsitz 54 zu ziehen.
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In den Ventilkörper 52 ist in axialer Richtung ein Pfropfen 62 od.
dgl. eingeschraubt; in dem Pfropfen 62 ist drehbar ein Halteglied 64 gelagert, mit
dem das eine Ende der Feder 60 verbunden ist. Die Spannung der Feder 60 kann durch
Verdrehen des Pfropfens 62 im Ventilkörper 52 verändert werden. Hierbei wird das
Halteglied 64 an einer Drehbewegung gehindert, so daß beim Drehen des Pfropfens
62 keine Drehbeanspruchung in der Feder 60 entstehen kann. In dem Ventilkörper 52
sind um Zapfen 66 und 68
Fliehgewichte 70 und 72 schwenkbar gelagert.
Diese Fliehgewichte 70 und 72 haben Arme 74 bzw. 76, die mit einer Scheibe 78 zusammenwirken,
welche auf einem Abschnitt 80 verringerten Durchmessers des Ventilschalters 58 angeordnet
ist. Die Fliehgewichte 70 und 72 haben das Bestreben, beim Umlauf der Turbinenwelle
18 sich nach außen zu verstellen, wie dies durch die Pfeile 83 und 84 angedeutet
ist. Die Arme 74 und 76 üben daher in der Öffnungsrichtung des Ventils 56 auf die
Scheibe 78 einen Druck aus.
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Der in der Leitung 38 herrschende Regeldruck lastet für gewöhnlich
auf dem Kopf 82 des Ventils 56 und drückt dieses auf seinen Sitz 54. Außerdem hat
die Feder 60 das Bestreben, das Ventil 56 auf seinem Sitz 54 zu halten. Wenn die
auf die Fliehgewichte 70 und 72 in Richtung der Pfeile 83 und 84 einwirkenden Fliehkräfte
groß genug werden, um sowohl die mittels der Druckluft auf den Kopf 82 des Ventils
ausgeübte Druckkraft als auch die Spannung der Feder 60 zu überwinden, so wird das
Ventil 56 von seinem Sitz 54 abgehoben. Wenn sich das Ventil öffnet, gleicht sich
der auf dem Ventilkopf 62 lastende Druck aus, und eine geringfügige Öffnung des
Ventils 56 hat zur Folge, daß dieses Ventil schnappend in die Offenstellung gelangt.
Auf diese Weise wird das Entweichen von Druckluft durch die Öffnung 41, das
Ventil 36 und die Öffnung 43 ermöglicht, so daß der Druck in der Steuerdruckleitung
38 absinkt. Dadurch wird das Ventil 16 und der Leitapparat 14 geschlossen und damit
die Geschwindigkeit des Turbinenrotors 10 herabgesetzt.
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Ist auf diese Weise die Geschwindigkeit des Rotors 10 auf einen vorbestimmten
Wert gefallen, so werden die auf die Fliehkörper 70 und 72 ausgeübten Fliehkräfte
durch die Kraft der Feder 60 überwunden. Das Ventil 56 begibt sich wieder auf seinen
Sitz 54, so daß das Ventil 36 für den nächsten Fall einer drohenden überschreitung
der vorschriftsmäßigen Höchstgeschwindigkeit des Rotors 10 eingestellt ist.